滑靴裙部外偏角對其收口特性影響規(guī)律研究

石運(yùn)序,賈炎冰,劉同昊,王興旺,徐尚武

(1.煙臺大學(xué)機(jī)電汽車工程學(xué)院，山東煙臺 264005；2.煙臺艾迪液壓科技有限責(zé)任公司，山東煙臺 265503)

0 前言

滑靴式柱塞廣泛應(yīng)用于高端液壓泵中,其壽命長,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，特別是滑靴收口工藝的優(yōu)劣直接關(guān)系到柱塞泵能否正常工作。滑靴收口過程中，其外偏角的大小不僅會影響模具壓合力，而且對柱塞副的運(yùn)動偏轉(zhuǎn)角及運(yùn)動靈活性均有顯著影響。

本文作者利用DEFORM軟件建立滑靴壓合仿真模型，推導(dǎo)出滑靴裙帶壓合前后的體積變化公式，分析滑靴裙部在壓合過程中的變形及應(yīng)力特性曲線，揭示不同滑靴裙部外偏角對其收口特性的影響規(guī)律，為柱塞泵滑靴壓合工藝的智能數(shù)字化設(shè)計(jì)提供參考。

1 滑靴壓合收口模型的建立

1.1 壓合收口工藝原理

滑靴壓合收口工藝是通過壓力機(jī)作用于滑靴底部，使滑靴裙部通過模具縮頸作用實(shí)現(xiàn)滑靴包緊柱塞的塑性變形過程。滑靴壓合收口原理如圖1所示。影響壓合工藝的影響因素主要有壓合力、壓合速度、保持時間等。

圖1 滑靴壓合收口原理

1.2 基于DEFORM的仿真模型建立

以F3V112DT型柱塞泵滑靴為例，其幾何尺寸如圖2所示。

圖2 滑靴結(jié)構(gòu)尺寸

壓合收口幾何模型及滑靴拉脫力仿真模型分別如圖3、圖4所示。

圖3 壓合收口幾何模型 圖4 滑靴拉脫力模型

仿真時將壓頭1、模具3、柱塞4和夾具模型設(shè)置為剛性，滑靴2設(shè)置為彈塑性變形體。滑靴材料為CuZn37，其性能參數(shù)如表1所示。

表1 CuZn37性能參數(shù)

滑靴和模具之間的接觸采用庫侖摩擦模型，摩擦因數(shù)取0.36；在滑靴拉脫力模型中定義滑靴與柱塞之間的摩擦因數(shù)為0.44；取滑靴與夾具模型間摩擦因數(shù)為無限大。壓頭壓合速度為6.15 mm/s。

壓合過程中滑靴裙部會發(fā)生彈塑性變形，滑靴采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，并對滑靴裙部變形區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，最小網(wǎng)格尺寸為0.301 7 mm，仿真每步增量應(yīng)設(shè)置為最小網(wǎng)格尺寸的1/10，則設(shè)置仿真每步增量為0.03。滑靴網(wǎng)格如圖5所示。

圖5 滑靴網(wǎng)格

滑靴主要變形區(qū)為滑靴裙部區(qū)域，取滑靴裙部外偏角為主要參數(shù)，如圖1所示，其值為13.5°～18°，增量為0.5°，進(jìn)行仿真。

2 仿真模型試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)方法與試驗(yàn)條件

柱塞組件滑靴壓合收口的仿真模型是根據(jù)實(shí)際加工壓合過程建立的一個理想化模型，工件材料本身的缺陷、滑靴加工質(zhì)量以及設(shè)備的誤差等均未考慮。因此，仿真得到的結(jié)果往往與實(shí)際壓合得到的結(jié)果存在一定誤差，故還需對仿真模型進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證。

試驗(yàn)方法是通過對壓合完畢的滑靴取某一截面與仿真后的相同截面進(jìn)行對比,查看重合度和誤差來驗(yàn)證模型。具體步驟：先對壓合完畢的滑靴取某一截面進(jìn)行線切割，記錄好截面位置，用顯微測量投影儀對該截面取若干點(diǎn)，導(dǎo)出坐標(biāo)數(shù)據(jù)，再對仿真完畢的滑靴模型在三維軟件中進(jìn)行類似操作，進(jìn)行對比。

2.2 壓合后輪廓對比驗(yàn)證

由于滑靴主要變形區(qū)為滑靴裙部區(qū)域，主要對該區(qū)域的邊界進(jìn)行取點(diǎn)，使點(diǎn)分布密集，該區(qū)域外的點(diǎn)分布疏散。圖6所示為仿真模型與實(shí)際測量得到的模型的對比結(jié)果。

圖6 輪廓對比

由圖6可以看出：實(shí)際測量得到的輪廓曲線和仿真得到的輪廓曲線較為吻合，故后續(xù)分析可采用此仿真模型。

3 壓合工藝仿真研究

3.1 滑靴裙部變形過程及接觸變形區(qū)數(shù)學(xué)模型建立

如圖7所示，滑靴壓合過程根據(jù)所受載荷的特點(diǎn)主要分為3個階段：(1)未接觸模具階段(壓合前)；(2)接觸模具階段(壓合中)；(3)脫離模具階段(壓合后)。

圖7 滑靴變形過程

滑靴未接觸模具時滑靴裙部外表面受模具擠壓發(fā)生彎曲變形；當(dāng)接觸模具時滑靴裙部內(nèi)表面逐漸與柱塞球頭接觸使擠壓力增大；脫離模具時滑靴底部脫離模具的部分與柱塞球頭接觸區(qū)域因載荷的變化而逐漸減小，與模具接觸的部分既受模具弧面的擠壓載荷又受到柱塞球頭的擠壓載荷使擠壓力大幅度增加。滑靴裙部所受擠壓力如圖8所示，該圖說明了壓合模型加柱塞和不加柱塞所受的擠壓力不同，再次驗(yàn)證了壓合模型的正確性。

圖8 滑靴所受擠壓力曲線

當(dāng)滑靴裙部逐漸脫離模具時，滑靴裙部外側(cè)所受載荷全部為模具垂直面作用，該作用力使滑靴裙部以上的內(nèi)表面開始與柱塞球頭接觸，與柱塞球頭接觸區(qū)域逐漸增大，直到壓合完畢時接觸區(qū)域達(dá)到最大。而由于塑形回彈和變形區(qū)幾何因素作用，脫離模具的滑靴部分開始脫離與柱塞球頭的接觸。壓合過程滑靴接觸情況如表2所示。

表2 滑靴變形區(qū)接觸情況

注：“+”：表示與球頭接觸；“-”：表示與球頭不接觸。

綜上，滑靴壓合變形為擠壓力作用下的彎曲變形，變形過程中存在接觸副，它決定了擠壓力的大小且直接影響滑靴收口特性。設(shè)滑靴壓合完成后柱塞球頭與滑靴內(nèi)表面接觸寬度用表示，接觸寬度主要受模具擠壓力作用的影響，擠壓力主要受到流動應(yīng)力與滑靴受壓面積的影響，而流動應(yīng)力與滑靴材料相關(guān)，其中滑靴受壓面積與模具、滑靴之間的幾何關(guān)系如式(1)—式(7)表示。

=+

(1)

(2)

(3)

(4)

Δ=-

(5)

(6)

(7)

式中：為接觸寬度;為滑靴脫離模具部分接觸邊界的長度;為滑靴接觸模具部分接觸邊界的長度;為柱塞球頭的半徑;為柱塞接觸長度;為變形區(qū)長度;()為擠壓力力矩;()為擠壓力;為初始彎曲角;Δ為裙部區(qū)域轉(zhuǎn)化包柱塞區(qū)域面積;為滑靴變形區(qū)面積;為滑靴主要區(qū)域面積;為變形區(qū)寬度;、、、、、、以及為與材料相關(guān)的參數(shù)。

3.2 滑靴裙部外偏角對接觸寬度的影響

圖9所示為滑靴在滑靴裙部外偏角為13.5°～18.0°，模具擠壓弧度為9.4 mm下壓合仿真得到的接觸寬度變化曲線。由以上分析知，滑靴接觸主要分為兩部分：脫離模具部分的接觸和接觸模具部分的接觸。從圖9中可以看出：隨著滑靴裙部外偏角的增大，總接觸寬度與接觸模具部分接觸寬度出現(xiàn)逐漸增大的趨勢，而脫離模具部分接觸寬度出現(xiàn)下降的趨勢。

圖9 接觸寬度曲線

由圖9可見： (1)對于脫離模具部分，由式(2)可知，滑靴外偏角的增大會導(dǎo)致滑靴受擠壓力增大，而對于脫離模具部分，滑靴裙部受壓與柱塞的接觸量是由滑靴結(jié)構(gòu)參數(shù)和滑靴與模具的相對位置決定的，是一個較小的定值，而因卸荷后擠壓產(chǎn)生的塑形回彈隨擠壓力的增大而減小，綜合作用呈現(xiàn)減小趨勢；(2)對于接觸模具部分，由式(3)可知，由于接觸部分未卸荷，接觸力隨擠壓力的增大而增大。由于接觸模具部分和脫離模具部分共同作用，接觸寬度呈現(xiàn)增大趨勢。

3.3 滑靴裙部外偏角對滑靴收口質(zhì)量的影響

評價滑靴收口質(zhì)量一般用：(1)滑靴柱塞轉(zhuǎn)動順暢、無緊澀且滿足一定的間隙要求；(2)擺角要求，由柱塞泵直接決定滑靴轉(zhuǎn)動擺角必須小于某個特定值；(3)強(qiáng)度要求，拉脫力指滑靴收口完成后將柱塞從滑靴中拔出來所需的最大力，必須大于某個特定值使滑靴在工作過程中不會輕易被拔出。而滑靴裙部外偏角是加工滑靴工藝中關(guān)鍵尺寸，一般在滿足收口質(zhì)量3個指標(biāo)的前提下選擇較大的滑靴裙部外偏角，這樣能提高滑靴所承受拉脫力的大小，但是外偏角不能選取過大，過大的滑靴裙部外偏角會導(dǎo)致滑靴轉(zhuǎn)動有緊澀感，并且會使滑靴擺角變小，影響柱塞泵的工作性能。

圖10所示為滑靴在滑靴裙部外偏角為13.5°～18.0°，模具擠壓弧度為9.4 mm下壓合仿真得到的各指標(biāo)性能曲線。可知，滑靴柱塞間隙呈增大趨勢，這是因?yàn)橥馄堑脑龃髸沟媒佑|寬度增加，導(dǎo)致滑靴受擠壓力增大，從而使滑靴壓合完后卸載所產(chǎn)生的塑形回彈增大。最大擺角呈減小趨勢，這是因?yàn)椋S著滑靴裙部外偏角的增大，在滑靴變形區(qū)長度一定時，外偏角的增大使更多的裙部外偏區(qū)域部分向包柱塞區(qū)域轉(zhuǎn)化，滑靴內(nèi)口徑變小，滑靴擺角逐漸減小。拉脫力的變化趨勢可能與接觸寬度和包柱塞區(qū)域面積的增大有關(guān)。綜合考慮滑靴收口質(zhì)量，滑靴裙部外偏角應(yīng)在15.0°～16.0°內(nèi)選取。

圖10 收口特性各指標(biāo)曲線

4 結(jié)論

本文作者利用DEFORM軟件建立了滑靴壓合仿真模型，推導(dǎo)出滑靴裙帶壓合前后的體積變化公式，分析了滑靴裙部在壓合過程中的變形及擠壓力曲線，揭示了不同滑靴裙部外偏角對其收口特性的影響規(guī)律。主要結(jié)論：滑靴裙部外偏角越大，接觸寬度越大，當(dāng)滑靴外偏角每增大1.0°時，接觸寬度約增大22%；外偏角增大，會使滑靴柱塞副間隙增加，滑靴擺角減小，滑靴所受拉脫力增大。